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紅泥膜沼氣池沼氣工程是處理規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖糞污有效方  。近年來,隨著國家對畜禽養(yǎng)殖糞污排放的要求越來越嚴格,國內(nèi)規(guī)模化紅泥膜沼氣池沼氣工程日益增多2。溫度是影響紅泥膜沼氣池沼氣工程糞污處理效率以及厭氧消化產(chǎn)氣的關(guān)鍵因素之一-4。一般而言,規(guī)?；t泥膜沼氣池沼氣工

程采用中溫發(fā)酵,其適宜的溫度范圍是35℃  40℃5。在國內(nèi)大部分地區(qū),全年溫度變化很大,要使紅泥膜沼氣池沼氣工程常年穩(wěn)定高效運行,有必要采用適當?shù)脑鰷乇胤椒▽t泥膜沼氣池沼氣工程的厭氧消化溫度進行嚴格控制,使紅泥膜沼氣池沼氣工程的發(fā)酵溫度保持在中溫發(fā)酵的

溫度范圍內(nèi)6  紅泥膜沼氣池沼氣工程傳統(tǒng)的加熱方式為熱水循環(huán)加熱法,  所采用的熱源主要包括電熱膜、太陽能集熱器化石  能源熱水鍋爐、紅泥膜沼氣池沼氣鍋爐、紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)電余熱等”。近  年來,生物質(zhì)固體成型燃料的制備技術(shù)日趨成熟,成  本逐漸下降。生物質(zhì)顆粒燃料能量密度與中質(zhì)  煙煤相當;燃燒時CO2零排放,NO3和SO2等的排  放量遠小于煤;燃燒特性明顯得到改善,提高了利用  效率,連續(xù)自動運行條件下,燃燒效率通常能達到  86%以上m?；谝陨蟽?yōu)點,生物質(zhì)顆粒燃料熱水  鍋爐逐漸在紅泥膜沼氣池沼氣工程供熱中占有了一席之地  這幾種加熱方式中,紅泥膜沼氣池沼氣鍋爐加熱消耗紅泥膜沼氣池沼氣,不  利于紅泥膜沼氣池沼氣的高值化利用“。紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)電余熱需要為  紅泥膜沼氣池沼氣工程配備發(fā)電機組,并且在當前的技術(shù)條件下國產(chǎn)紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)電機組能量利用效率較低,而進口紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)電機組則投資較高,不適宜中小規(guī)模紅泥膜沼氣池沼氣工程使用。太陽能是一種清潔能源,常年運行費用較低,但它在陰天或者晚上無法工作具有不連續(xù)性為了實現(xiàn)連續(xù)供熱,需要擴大集熱面積和熱量存儲裝置,導(dǎo)致了供熱系統(tǒng)初投資增加4。生物質(zhì)顆燃料熱水鍋爐初始投資較低,但常年需要生物質(zhì)顆粒燃料,運行費用較高4。

生物質(zhì)能太陽能互補供熱系統(tǒng)紅泥膜沼氣池沼氣工程供熱  是近年來興起的一種供熱方式“。該系統(tǒng)通過將  生物質(zhì)顆粒燃燒器和太陽能集熱器聯(lián)合組成一個供  熱系統(tǒng),充分利用生物質(zhì)能與太陽能的優(yōu)勢,為厭氧  消化罐提供穩(wěn)定的熱源,同時盡量降低運行成本與  初始投資。太陽能集熱器面積的增加,可以減少  生物質(zhì)顆粒燃燒器的運行時間,降低運行成本。但  是增加太陽能集熱器面積的同時,也增加了初投  資。實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化,需要對系統(tǒng)中各部  分設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化16-1。

本文擬建立紅泥膜沼氣池沼氣工程的生物質(zhì)能太陽能互補  供熱系統(tǒng)的經(jīng)濟分析模型并結(jié)合實例利用線性規(guī)  劃方法對供熱系統(tǒng)進行優(yōu)化,為生物質(zhì)能太陽能互補供熱系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1研究實例與熱量需求

1.1研究實例

以河北省保定市年出欄4500頭的奶牛場為例,年產(chǎn)生糞便2.95萬噸,設(shè)計CSTR發(fā)酵罐1座,容積5000m3,直徑為30m,高度為8m,設(shè)計停留時間為27天。發(fā)酵罐內(nèi)采用罐內(nèi)盤管加熱的方式。1.2熱平衡計算

厭氧消化需要保持一定的溫度厭氧微生物才能

夠保持活性,這就要求厭氧消化罐獲得的熱量必須  大于損失的熱量,才能保證整個系統(tǒng)的溫度恒  定。一般而言,厭氧消化罐每日損失的熱量主要  是每天新增投料所需熱量以及厭氧消化罐每日散  熱。厭氧消化過程中的生物化學(xué)發(fā)熱量較小,可忽略不計。  厭氧消化罐投料損失的熱量計算公式(1)為2:  Q,=cm(To-Tp)  式中:c為料液的比熱容(新鮮料液質(zhì)量分數(shù)約  為8%,取水的比熱),4.2kJkg℃-;m為紅泥膜沼氣池沼氣池  的新鮮料液流量,660×103kg·d-;T。為紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)酵  罐內(nèi)料液的溫度,35℃;T,為新鮮料液的溫度,℃  厭氧消化罐散熱損失的熱量計算公式(2)

Q2=(S1a1+S2a2+S3a3)(Ta-T)(2)  式中:S,S2,S3為發(fā)酵罐頂面積、側(cè)壁面積與底  面積,分別為706m2,754m2與706m2;a1,a2,a  為發(fā)酵罐頂、側(cè)壁與底部的傳熱系數(shù),分別為2.63  W·m2℃-,0.32W.m2℃-與0.48W·m-2℃  T。為紅泥膜沼氣池沼氣發(fā)酵罐內(nèi)料液的溫度,35℃;T為環(huán)境溫

紅泥膜沼氣池沼氣工程總需熱量Qx為物料升溫與發(fā)酵罐散  熱損失兩部分之和19

Qn.Q+Q2  紅泥膜沼氣池沼氣工程熱量平衡計算結(jié)果如表1所示。全年  中,華北地區(qū)紅泥膜沼氣池沼氣工程的散熱量相差較大,隨外界環(huán)  境溫度的升高而升高。其中1月份環(huán)境溫度最低  散熱量最大,為330.02kW;7月份的環(huán)境溫度最  高,散熱量最低,為139.18kW

2生物質(zhì)能-太陽能互補供熱系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)設(shè)計  本研究中所使用的生物質(zhì)能太陽能互補供熱  系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)中,太陽能集熱器、生物質(zhì)  顆粒燃燒器及厭氧消化罐通過蓄熱水箱相連接,并  在控制單元的控制協(xié)調(diào)下自動運行。  生物質(zhì)顆粒燃燒器全功率間歇運行,當蓄熱水  箱上部溫度T大于設(shè)定溫度時燃燒器停止運行,小  于設(shè)定溫度則開始運行。太陽能集熱器出水口溫度  T與蓄熱水箱底部溫度T2溫差超過7℃時,太陽能  集熱器循環(huán)水泵開始循環(huán);當溫差小于3℃時停止  循環(huán)。供熱設(shè)備將熱量儲存在蓄熱水箱中,并通過換熱裝置將熱量傳遞至供熱終端。

2.2系統(tǒng)優(yōu)化

在生物質(zhì)能太陽能互補供熱系統(tǒng)中,太陽能集熱器面積的增加可以減少生物質(zhì)顆粒的使用,降低運行成本,但是會增加系統(tǒng)的初投資。而減少太陽能集熱器面積,則降低系統(tǒng)的初始投資,但生物質(zhì)顆粒燃燒量增大,運行成本提高。因此該系統(tǒng)在初投資和運行成本之間存在矛盾4。本文通過建立系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)化模型,對系統(tǒng)中主要裝置的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計

2.2.1目標函數(shù)

系統(tǒng)優(yōu)化的目標是降低供熱系統(tǒng)每年的費用,  即將年運行成本和初投資平均到使用年限的每一年

相加為目標函數(shù)Fm,目標函數(shù)取最小值時的  參數(shù)為最優(yōu)設(shè)計參數(shù)。Fm如下:

F  ines+ Operation

式中:Fm為系統(tǒng)的初投資,元、下m為  的運行成本,元;n為系統(tǒng)的使用年限,15a  其中,系統(tǒng)的初投資包括生物質(zhì)顆粒燃燒動及  配套鍋爐、太陽能集熱器、蓄熱水箱、循環(huán)水  其他管道儀表等,其計算式如下

Finest=f burner 1000+S. xN+Vonk XN,+Leur Sy

式中:Pbm為生物質(zhì)顆粒燃燒器的功率,  N為生物質(zhì)顆粒燃燒器的價格,150元kW

為太陽能集熱器的面積,m;N為太陽能集熱考價格,100元m2:N為蓄熱水箱的價格要元·m-3;為水泵等附件的投資,500元

系統(tǒng)的運行成本包括燃燒生物質(zhì)顆粒燃料的費用,系統(tǒng)的水泵、風機等的用電費用、人工費、系的  維護費用等。其中生物質(zhì)顆粒燃料費用每月差朦  大,需按月計算,其他費用按年計算。計算姐式6)

m=∑:21F1+Fm+Fam+F  式中:F為燃燒動力費,元;Fm為人  000元;Fm為系統(tǒng)的維護費用,500元。月  質(zhì)顆粒燃料的費用F,當F1<0時取0,計算城

式中:Q為i月份的紅泥膜沼氣池沼氣工程所需熱量,k;E為i月份傾斜表面月平均日太陽輻射量,kJ·m-2  d2;m為太陽能集熱器的集熱效率,0.5:m為生物  質(zhì)顆粒燃燒器的燃燒效率,0.9;73為鍋爐熱效率效  率,0.8;s為生物質(zhì)鍋爐用盤管換熱器的換熱效  率,0.9;7為采暖用盤管換熱器的換熱效率,0.9;n  為i月份的天數(shù),d;qm為生物質(zhì)顆粒燃料的熱值,  kJ·kg-;N。為生物質(zhì)顆粒燃料的價格,0.5

2.2.2約束條件

生物質(zhì)顆粒燃燒器的功率應(yīng)大于太陽能集熱器  不運行條件下厭氧消化罐的最大耗熱功率,即  Pbm×n3×7s×n6≥Qm  (9  式中:Qm為厭氧消化罐的最大耗熱功率,kW。  生物質(zhì)顆粒燃燒器間歇運行,生物質(zhì)鍋爐間歇  運行時間內(nèi)與太陽能熱水器共同為厭氧消化罐提供  熱量,還應(yīng)當使蓄熱水箱蓄熱,蓄熱水箱內(nèi)水溫不應(yīng)超過蓄熱水箱的溫度上限,其約束如下:

C.×pn×Vak△T

E×Somn×m1Qnn  ≥t2(Pbm×7,×n6+3600×t  )×3600

式中p為水的密度,1000gm3;Va為蓄熱水箱容積,m3;C。為水的比熱容,4200kJkg1℃-;△T為蓄熱溫差,15℃;t2為生物質(zhì)顆  粒燃燒器設(shè)計的最短運行時間,0.5h;E為年平均  日太陽總輻照量,MJ·m-2d-;t,為平均日照時間,

生物質(zhì)鍋爐間歇運行中一個周期的停止運行時  間不能過短,如果停止運行的時間過短則不符合燃  燒器的工作特性。在一個周期中停止運行的時間是  由蓄熱水箱的容積,太陽能集熱器的面積來決定的31,其約束如下:  C×pn×Vank×△r  ≥t1  (11)

m×3600  該系統(tǒng)以生物質(zhì)顆粒燃燒器為主要熱源,限制

2.2.4優(yōu)化方法

使用軟件Excl(2010)建立數(shù)學(xué)模型,通過改  變Pm,S與Vm,以目標函數(shù)為目標,約束條件為約束,使用規(guī)劃求解工具進行求解計算。

3結(jié)果分析

通過計算得知,當生物質(zhì)能太陽能互補供熱系  統(tǒng)中生物質(zhì)顆粒燃燒器的功率為509.3kW,太陽能集熱器(由清華陽光生產(chǎn))面積為1775.6m2,蓄熱水箱(由清華陽光生產(chǎn))容積取10.48m3時,目標函  數(shù)取得最小值。此時,初投資為1871695.59元,年運行成本為169735.77元。一年4月~9月中,氣溫較高,厭氧消化罐散熱較少,耗熱量較低。相比其余幾個月份,日照強度較大,日照時間較長。因此,在4~9月由太陽能加熱器所提供的熱量即可保證  厭氧消化罐所需熱量。這幾個月份內(nèi)生物質(zhì)顆粒鍋  爐基本不需要運行,只需做應(yīng)急加熱使用。

3.1初投資分析

在生物質(zhì)能-太陽能互補供熱系統(tǒng)的初投資中,太陽能集熱器的投資占的比例最大,為94.9%;生  物質(zhì)顆粒燃燒器的投資占的比例是4.08%;蓄水箱與水泵等附件投資所占的比例分別為0.25%和0  80%。隨著生物質(zhì)顆粒燃燒器生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟  以及生產(chǎn)規(guī)模的擴大,其成本會較大幅度地降低,從  而能加速生物質(zhì)能太陽能互補供熱系統(tǒng)的推廣3.2運行成本分析  生物質(zhì)能太陽能互補供熱系統(tǒng)運行成本主要  包括生物質(zhì)顆粒燃料費用、燃料動力費、系統(tǒng)維護  費、人工費。在運行成本中,生物質(zhì)顆粒燃料費用占

75.26%,人工費占14.14%,燃料動力費占7.07%

系統(tǒng)維護費占3.53%  3.3加熱方式對比分析  學(xué)當前紅泥膜沼氣池沼氣工程中常用的加熱方式主要包括:沼  氣熱水鍋爐生物質(zhì)鍋爐、太陽能等方式。本研究條

厭氧消化罐需熱量6973119.96MJ·a  目紅泥膜沼氣池沼氣熱水鍋爐為單一熱源,則年需要消耗紅泥膜沼氣池沼氣20.68%。以08元,Nm紅泥膜沼氣池沼氣計,則年運行成本高  達316960元。若單獨使用生物質(zhì)鍋爐為熱源,則年  需消耗生物質(zhì)顆粒燃料633t·a1,運行成本為  316500元。這兩種加熱方式下年運行成本均高于  生物質(zhì)能太陽能互補供熱系統(tǒng)。若使用太陽能系  統(tǒng)為熱源,則需要太陽能熱水器面積為31476  m2,初投資額為314.47萬元,遠高于生物質(zhì)能太陽  能互補供熱系統(tǒng)優(yōu)化后的結(jié)果,不適合中小規(guī)模紅泥膜沼氣池沼氣工程

結(jié)論

對紅泥膜沼氣池沼氣工程的生物質(zhì)能太陽能互補供熱系統(tǒng)中的  設(shè)計參數(shù)進行了優(yōu)化。結(jié)果表明對于華北地區(qū)  5000m3的厭氧消化罐可設(shè)計成燃料鍋爐功率為  09.3kW,太陽能集熱器面積為1775.6m2,蓄熱水  箱容積為10.48m3,此時系統(tǒng)的經(jīng)濟性最優(yōu),初投  資為1871696元,年運行成本為169736元,折合年費用為294515元。  (2)在生物質(zhì)能太陽能互補供熱系統(tǒng)中,太陽  能集熱器的投資比例最大,占到了總投資的  94.9%;生物質(zhì)顆粒燃燒器占4.08%;運行成本中  生物質(zhì)顆粒燃燒為用占75.26%,人工費占4.14%,燃料動力費占7.07%,系統(tǒng)維護費占3.53%。  (3)與紅泥膜沼氣池沼氣熱水鍋爐、生物質(zhì)鍋爐相比,生物質(zhì)  能太陽能互補供熱系統(tǒng)充分利用太陽能運行成本  低的優(yōu)勢,減少了運行成本;與太陽能系統(tǒng)相比,生物質(zhì)能太陽能互補供熱系統(tǒng)彌補了太陽能不穩(wěn)定與初始投資高的缺點。因此,生物質(zhì)能太陽能互補供熱系統(tǒng)適合于中小規(guī)模的紅泥膜沼氣池沼氣工程,具有廣泛的推廣價值。

摘自《中國沼氣》第4期 趙凱 馮晶 孟海波 李冰峰 羅娟 于佳動 黃開明

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